WO2006054399A1

WO2006054399A1 - 燃料電池のセパレータ

Info

Publication number: WO2006054399A1
Application number: PCT/JP2005/018336
Authority: WO
Inventors: Takayuki Hirao; Yukihiro Maekawa; Kazuyoshi Takada
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2006-05-26
Also published as: JP2006147255A; JP4852840B2

Abstract

　燃料電池のセパレータ（１５）は、それぞれが有する凹凸形状（１６、１７）を協働させて、燃料ガス流路（１８）、酸化剤ガス流路（１９）及び冷媒流路（２０）を画成する一対の金属板（１５Ａ、１５Ｂ、５５Ａ、５５Ｂ）と、燃料ガス流路、燃料ガス流路の前段で燃料ガスを拡散して分配する燃料ガスディフューザ流路（２４）、酸化剤ガス流路及び酸化剤ガス流路の前段で酸化剤ガスを拡散して分配する酸化剤ガスディフューザ流路（２５）を除くように、一対の金属板に形成された樹脂部（３０）と、を備える。

Description

明細書

燃料電池のセパレータ

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池のセパレータに関し、より詳しくは、燃料電池における金属と榭脂とからなる金属榭脂一体型のセパレータに関する。

背景技術

[0002] 近年、電解質膜の両面に水素と酸素とを供給して起電力を発生させる燃料電池において、セパレータを金属板で形成したいわゆる金属セパレータゃ、カーボン粒子と榭脂とを混合して形成したいわゆるモールドセパレータの開発がなされてきている。

[0003] 金属セパレータでは、厚さを抑えて製造することができるため燃料電池のセルピッチが短縮できる点で有利であるが、セパレータ形状を形成する点では自由度が小さぐ特に、シール部及びディフューザ部を形成する点では自由度が小さい。また、金属セパレータでは、燃料電池を積層する際に、シール部材である圧縮シールの反力を支える剛性を確保する必要があり、更に電解質膜及びセパレータ同士を支えるリブを形成する点では自由度が小さい。

[0004] 一方、モールドセパレータでは、カーボン粉末と榭脂とを混合した後に金型を用いて成形するものであるため、セパレータ形状には自由度があるが、強度を確保するには一定の厚さが必要となるため、セパレータを薄肉化する点では困難な傾向がある。そのため、モールドセパレータでは、金属セパレータに比べて厚くなつてしまい、セルピッチを短縮することは困難な傾向がある。

[0005] 特開 2003— 323900号公報 (第 4頁力も第 6頁、第 1図から第 3図）は、金属セパレータの外周部を榭脂製とした金属榭脂一体型のセパレータを開示する。かかる金属榭脂一体型のセパレータは、水素ガス及び酸素ガスを導入するガス流路が榭脂部に形成され、ガス通路の耐食性を確保せんとしている。

発明の開示

[0006] し力しながら、本発明者達の検討によれば、特開 2003— 323900号公報に開示されたセパレータでは、一枚のセパレータにガス流路、つまり燃料ガス流路及び酸ィ匕剤ガス流路のみしか形成されないため、更に別途、冷媒である冷却水を流通させる冷却水流路を形成した専用のセパレータを用意する必要がある。そのため、かかるセパレータを使用して燃料電池を構成した場合には、燃料電池の単セルの厚みが増え、セルピッチが大きくなつてしまい、結果として発電効率が低下する傾向にあるものと考えられる。

[0007] 本発明は、以上のような検討を経てなされたもので、燃料電池のセルピッチを短縮して発電効率を向上することができると共に、ディフューザ領域に任意の形状を採用し得るような設計自由度を増すことができる燃料電池のセパレータを提供することを目的とする。

[0008] 本発明の一局面における燃料電池のセパレータは、それぞれが有する凹凸形状を協働させて、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を画成する一対の金属板と、前記燃料ガス流路、前記燃料ガス流路の前段で燃料ガスを拡散して分配する燃料ガスディフューザ流路、前記酸化剤ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の前段で酸化剤ガスを拡散して分配する酸化剤ガスディフューザ流路を除くように、前記一対の金属板に形成された榭脂部と、を備える。

図面の簡単な説明

[0009] [図 1]図 1は、本発明における実施形態の燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、本実施形態の燃料電池スタックの積層構造を示す要部断面図で、図 1 の燃料電池スタックを X z平面で切断して示すものである。

[図 3]図 3は、本実施形態の燃料電池スタックの金属榭脂一体型のセパレータをァノード側から見た要部平面図である。

[図 4]図 4は、同セパレータをカソード側から見た要部平面図である。

[図 5]図 5は、図 4の A— A断面図である。

[図 6]図 6は、図 4の B— B断面図である。

[図 7]図 7は、図 4の C C断面図である。

[図 8]図 8は、図 4の D— D断面図である。

[図 9]図 9は、本実施形態の燃料電池スタックのセパレータを構成する金属製のセパレータ板を示す要部平面図である。

[図 10]図 10は、本実施形態で比較した金属製のセパレータを示す断面図であり、位置的には図 7に相当する。

[図 11]図 11は、本実施形態の燃料電池スタックのセパレータに対して、接着剤を使用してシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する

[図 12]図 12は、本実施形態の燃料電池スタックのセパレータに対して、圧縮シールによるシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する

[図 13]図 13は、本実施形態で比較した金属製のセパレータに対して、圧縮シールによるシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する。

[図 14]図 14は、本発明における他の実施形態の燃料電池スタックのセパレータを構成する金属製のセパレータ板を示す要部平面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0010] 以下、本発明における実施形態のセパレータにっき、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中 x、 y及び z軸は、 3軸直交座標系をなす。

[0011] 料電池スタック及びセパレータの構成）

まず、燃料電池スタック及びセパレータの構成について、図 1〜9を参照しつつ説明する。

[0012] 図 1は、本実施形態の燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図 2は、本実施形態の燃料電池スタックの積層構造を、図 1の燃料電池スタックを X z平面で切断して示す要部断面図であり、図 3は、本実施形態の燃料電池スタックの金属榭脂一体型のセパレータをアノード側力見た要部平面図であり、図 4は、同セパレ一タをカソード側から見た要部平面図であり、図 5は、図 4の A— A断面図であり、図 6 は、図 4の B— B断面図であり、図 7は、図 4の C C断面図であり、図 8は、図 4の D— D断面図であり、図 9は、本実施形態の燃料電池スタックのセパレータを構成する金属製のセパレータ板を示す要部平面図である。なお、図 3中の切断線 A'— A'、 B， — B'、 C'— C'及び D'— D，については、図 5〜8に示す各断面図と上下が逆の断面図となるが、便宜上、何れも切断面は図示を省略する。

[0013] 主として図 1に示すように、燃料電池スタック 1は、水素を含有する燃料ガス、例えば水素ガスと、酸素を含有する酸化剤ガス、例えば空気と、が供給され、水素と酸素との電気化学的反応により起電力を生じる単セル 2を、所定数ほど z方向に積層して構成された積層体 3を備える。積層体 3の両端には、それぞれ、集電板 4、絶縁板 5及びエンドプレート 6を配置し、積層体 3の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド 7を貫通させた後、タイロッド 7の端部にナット（図示は省略する）を螺合させて、燃料電池スタック 1は組み立てられる。

[0014] ここで、一方のエンドプレート 6には、燃料ガス及び酸化剤ガス、更には冷媒である冷却水（典型的には LLC : Long Life Coolant)をそれぞれ各単セル 2のセパレータ 15 に形成された対応する流路に流入させ、っ、で燃料電池スタック 1内を循環させた後排出するために、矢印 Finで示すが如く燃料ガスが供給される燃料ガス導入口 8、矢印 Foutで示すが如く燃料ガスが排出される燃料ガス排出口 9、矢印 Oinで示すが如く酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス導入口 10、矢印 Omitで示すが如く酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出口 11、矢印 Cinで示すが如く冷却水が導入される冷媒導入口 12及び矢印 Coutで示すが如く冷却水が排出される冷媒排出口 13が、それぞれ形成される。つまり、カゝかる構成の燃料電池スタック 1においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口 8より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を経て対応する単セル 2に供給された後、セパレータに形成された燃料ガス流路を経て燃料ガス排出口 9より排出される。同様に、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口 10より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を経て対応する単セル 2に供給された後、セパレータに形成された酸化剤ガス流路を経て酸化剤ガス排出口 11より排出され、及び冷却水は、冷媒導入口 12より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を経て対応する単セル 2を通過した後、セパレータに形成された冷媒流路を経て冷媒排出口 13より排出される。

[0015] かかる単セル 2は、より詳しくは図 2に示すように、膜電極接合体 (MEA: membrane electrode assembly) 14と、膜電極接合体 14の両面にそれぞれ配置される金属榭脂一体型のセパレータ 15と力も構成される。なお、各セパレータ 15は、それに隣接する 2つの膜電極接合体 14用の各セパレータを、 1つのセパレータで兼ねている構成を例に挙げ説明する。

[0016] ここで、膜電極接合体 14は、一例として電解質に水素イオンの伝導性を呈する高分子電解質を用いた固体高分子電解質膜 14cと、その一方の面に配置されてァノード触媒と燃料ガス拡散層とからなるアノード電極 14aと、その他方の面に配置されて力ソード触媒と酸化剤ガス拡散層とからなる力ソード電極 14bとから構成される。つまり、力かる膜電極接合体 14は、アノード電極 14aと力ソード電極 14bとによって、固体高分子電解質膜 14cをその両側から挟み込んだ積層構造をなしている。なお、固体電解質としては、必要に応じ、酸素イオンの導電性を呈する固体酸化物電解質も使用可能である。

[0017] セパレータ 15は、図 3〜8に示すように、膜電極接合体 14における発電に寄与するアクティブ領域 (アノード電極 14a及び力ソード電極 14bに対して高分子電解質膜 14 cが重なって、る領域）に対応するセパレータ 15の y方向における中央寄りの領域（セパレータ 15についてのアクティブ領域と呼ぶ）に対応して、互いに協働して燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 20を画成すべく凹状部 16と凸状部 17 とを交互に形成した凹凸形状 (コルゲート形状)を有した 2枚の金属板 (アノード電極 14aに接するアノードセパレータ板 15A及び力ソード電極 14bに接する力ソードセパレータ板 15B)を、互いの凹状部 16の底部同士が接するように接合させた基本構成を有する。

[0018] 更に加えて、典型的には図 3及び 4で示すように、セパレータ 15は、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bにおける凹状部 16と凸状部 17とを有する凹凸形状部以外の部分、つまり外周部において、榭脂で成形した榭脂部 30が付カロされて、金属榭脂一体型のセパレータの構成を有する。榭脂部 30を形成する榭脂材料としては、軟ィ匕点温度が高ぐイオン溶出の少ない高分子材料が好適に使用され、具体的には、フエノールまたはエポキシに代表される熱硬化性榭脂、または PVDF ( フッ化ビ-リデン)等の熱可塑性榭脂が使用できる。セパレータ 15がかかる構成を有することで、榭脂部 30の榭脂材料にカーボンセパレータに用いられる材料のような導電性が要求されないため、カーボン粉末を配合する必要性が無くなり、安価且つ生産性の高い材料が使用でき、要求強度を満足すると共に部品の剛性を確保することができる。なお、図 3及び 4では、識別のため、榭脂部 30は、点々を付した部分として描いた。

[0019] 膜電極接合体 14のアノード電極 14aに向力つて開くように配置される凹状部 16は、アノード電極 14aと協働してそれらの間で燃料ガスを流通させる燃料ガス流路 18を画成する。一方、膜電極接合体 14の力ソード電極 14bに向かって開くように配置される凹状部 16は、力ソード電極 14bと協働してそれらの間で酸化剤ガスを流通させる酸ィ匕剤ガス流路 19を画成する。更に、アノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとが接合されてそれらの凸状部 17、 17で囲まれて画成される空間部は、冷媒である冷却水を流通させる冷媒流路 20をなす。

[0020] ここに、セパレータ 15には、燃料ガス導入口 8、燃料ガス排出口 9、酸化剤ガス導入口 10、酸化剤ガス排出口 11、冷媒導入口 12及び冷媒排出口 13と対応してそれぞれ連通する燃料ガス導入マ-ホールド 21、燃料ガス排出マ-ホールド、酸化剤ガス導入マ-ホールド 23、酸化剤ガス排出マ-ホールド、冷媒導入マ-ホールド 22及び冷媒排出マ-ホールドが、全て榭脂部 30に形成されている。なお、図 3及び 4中では、便宜上、導入側のマ-ホールド、つまり燃料ガス導入マ-ホールド 21、冷媒導入マ二ホールド 22及び酸化剤ガス導入マ-ホールド 23につ、てのみ図示し、排出側であるマ-ホールド、つまり燃料ガス排出マ-ホールド、冷媒排出マ-ホールド及び酸ィ匕剤ガス排出マ-ホールドにつ、ては、導入側マ-ホールドと同様の構成を有するため、図示は省略する。

[0021] 更に、セパレータ 15のアノード電極 14a側には、燃料ガス導入マ-ホールド 21から燃料ガス流路 18へ、燃料ガスを拡散しながら流通させるための燃料ガスディフューザ流路 24が形成されている。燃料ガスディフューザ流路 24は、燃料ガス導入マ-ホ一ルド 21と燃料ガス流路 18との間の流路領域に形成され、燃料ガス導入マ-ホールド 21から導入された燃料ガスをそれぞれの燃料ガス流路 18にまんべんなく供給させるための分配流路の機能を果たす。

[0022] ここに榭脂部 30において、燃料ガス導入マ-ホールド 21から燃料ガスディフューザ流路 24へと連なる流路の角部 21Aは、流体の圧力損失を低減させるために曲面形状とされている。具体的には、図 7で示すように、角部 21Aは丸められた R形状とされている。なお、燃料ガス流路 18と燃料ガス排出マ-ホールドとの間の流路領域にも、図示は省略するが、同様の燃料ガスディフューザ流路が、角部が R形状の流路を介して連絡して形成されて、る。

[0023] また、燃料ガスディフューザ流路 24は、図 9に示すように平面視でアノードセパレータ板 15Aの台形状の部分に、所定の形状で付着する榭脂部 30によって、その流路形状が画定されている。すなわち、図 3及び 6に示すように、燃料ガスディフューザ流路 24を区画する流路区画壁 31を榭脂部 30の一部として構成して、燃料ガスディフユ一ザ流路 24は、平面視で略三角形状の領域をなして！/、る。

[0024] 一方、セパレータ 15の力ソード電極 14b側には、酸化剤ガス導入マ-ホールド 23 カゝら酸化剤ガス流路 19へ、酸化剤ガスを拡散しながら流通させるための酸化剤ガスディフューザ流路 25が形成されている。酸化剤ガスディフューザ流路 25は、酸化剤ガス導入マ-ホールド 23と酸化剤ガス流路 19との間の流路領域に形成され、酸ィ匕剤ガス導入マ-ホールド 23から導入される酸化剤ガスをそれぞれの酸化剤ガス流路 19にまんべんなく供給させるための分配流路の機能を果たす。

[0025] ここに榭脂部 30において、酸化剤ガス導入マ-ホールド 23から酸化剤ガスディフユーザ流路 25へと連なる流路の角部 23Aは、流体の圧力損失を低減させるために曲面形状とされている。具体的には、図 7で示すように、角部 23Aは丸められた R形状とされている。なお、酸化剤ガス排出マ-ホールドと酸化剤ガス流路 19との間の流路領域にも、図示は省略するが、同様の酸化剤ガスディフューザ流路が、角部が R 形状の流路を介して形成されて！ヽる。

[0026] また、酸化剤ガスディフューザ流路 25は、燃料ガスディフューザ流路 24と同様に、図 9に示すように平面視でカソードセパレータ板 15Bの台形状の部分に所定の形状で付着する榭脂部 30によって、その流路形状が画定されている。すなわち、図 4及び 6に示す酸化剤ガスディフューザ流路 25を区画する流路区画壁 32を、榭脂部 30 の一部として構成して、酸化剤ガスディフューザ流路 25は、燃料ガスディフューザ流路 24と同様に平面視で略三角形状を領域をなしている。

[0027] 燃料ガスディフューザ流路 24には、図 3及び 6に示すように、燃料ガス流路 18に燃料ガスを分散させて流通させるための燃料ガスディフューザリブ 26が形成されている。力かる燃料ガスディフューザリブ 26は、榭脂部 30の一部である。燃料ガスディフユ一ザリブ 26は、全ての燃料ガス流路 18に均等に燃料ガスが行き渡るように、略三角形の燃料ガスディフューザ流路 24における燃料ガス導入マ-ホールド 21から最も遠い側の燃料ガス流路 18に向力の辺 311にそれぞれ略平行で、辺 311からそれに対向する頂点 31pに向かってリブ長さをそれぞれ短くしながら延在して、アノードセパレータ板 15A上に平面視で斜行して配置される。

[0028] 同様に、酸化剤ガスディフューザ流路 25には、図 4及び 6に示すように、酸化剤ガス流路 19に酸化剤ガスを分散させて流通させるための酸化剤ガスディフューザリブ 2 7が形成されている。力かる酸化剤ガスディフューザリブ 27は、燃料ガスディフューザリブ 26と同様、榭脂部 30の一部である。酸化剤ガスディフューザリブ 27は、全ての酸ィ匕剤ガス流路 19に均等に酸化剤ガスが行き渡るように、略三角形の酸化剤ガスディフューザ流路 25における酸化剤ガス導入マ-ホールド 23から最も遠い側の燃料ガス流路 19に向力辺 321にそれぞれ略平行で、辺 321からそれに対向する頂点 32p に向力つてリブ長さをそれぞれ短くしながら延在して、力ソードセパレータ板 15B上に平面視で斜行して配置される。

[0029] 更に、セパレータ 15には、図 3〜8に示すように、冷媒導入マ-ホールド 22から冷媒流路 20へ冷媒を拡散しながら流通させるための冷媒ディフューザ流路 28が形成されている。力かる冷媒ディフューザ流路 28は、 2枚の金属板であるアノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとを接合して画成された空間部を利用して設けられている。つまり、冷媒ディフューザ流路 28は、全ての冷媒流路 20に冷却水を分散させてまんべんなく流通させるため、典型的には図 6に示すように、アノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとが接合されてそれぞれ形成される冷媒ディフューザリブ 29により、互いに隔てられて画成されている。

[0030] 力かる冷媒ディフューザリブ 29は、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bにおいて互いに向けて突出し得るような突状部をそれぞれ形成しておき、それらの突状部同士を接合させることで形成される。具体的には、冷媒ディフューザリブ 29は、冷媒導入マ二ホールド 22から全ての冷媒流路 20へと冷却水を分散させてまんべんなく流通させるベぐ図 9に示すように、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bにおいて、冷媒導入マ-ホールド 22から冷媒流路 20に向けて平面視でそれぞれ所定間隔を置!、て放射状に延在され、それぞれの長手方向を対応すべき冷媒流路 20に向けて配置されている。このように、突状部同士を突き合わせてなる冷媒ディフューザリブ 29を設けたことにより、冷媒ディフューザ流路 28 を画成するのみならず、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bの剛性や強度を向上することができ、これらのセパレータ板のセパレータ 15内部への倒れ込みといった現象をも防止できる。なお、冷媒ディフューザリブ 29を構成するセパレータ板 15A、 15Bの突状部には、榭脂部 30の形成の便宜上、接合部の反対側力も榭脂部 30の榭脂が回って、ても力まわな、。

[0031] 以上説明したように、本実施形態の金属榭脂一体型のセパレータ 15は、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bにおける凹状部 16と凸状部 17とを有する凹凸形状部以外の外周部において、つまり、燃料ガス流路 18及び酸化剤ガス流路 19が形成されるいわゆるアクティブ領域を除き、各マ-ホールド 21〜23が形成されるマ-ホールド領域、各ディフューザ流路 24、 25が形成されるいわゆるディフユ一ザ領域等に対応して、アノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとの 2 枚の金属板カゝらなる金属セパレータを榭脂で被覆した榭脂部 30を付加することにより構成されている。

[0032] つまり、力かる榭脂部 30は、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 1 5Bの外周部と、各マ-ホールド 21〜23と、燃料ガスディフューザリブ 26と、酸化剤ガスディフューザリブ 27とを含む。なお、榭脂部 30の厚さは、特にセパレータ 15の外周部ではシール上必要充分な寸法に確保される必要があり、このように確保された榭脂部 30の外周部でセパレータ 15の厚さを必要十分に規定することになる。

[0033] (セパレータ及び燃料電池スタックの製造方法）

次に、以上の構成のセパレータ 15、更には燃料電池スタック 1の製造方法について詳細に説明する。

[0034] まず、力かるセパレータ 15を製造するには、所定の厚さの薄い金属板を用意し、ァクティブ領域となるべき部分に燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 2 0を形成する凹凸形状部と、ディフューザ領域となるべき部分に冷媒ディフューザリブ 29を形成する突状部とをそれぞれ形成する。ここでは、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bの 2種類を、それぞれプレス成形することで所要の枚数ほど形成する。

[0035] 次に、力かるプレス工程で得られたアノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bのそれぞれの表面に、耐食性及び導電性の両方を満足させるための表面処理を施す。

[0036] 次に、かかる表面処理工程後に、冷媒流路 20及び冷媒ディフューザ流路 28を画成するように、アノードセパレータ板 15Aの突状部と力ソードセパレータ板 15Bの突状部とをそれぞれ対応させて接合する。その後、アノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとを榭脂成形用金型に配置し、そのキヤビティー内に榭脂を注入して充填し、いわゆるインサート成形を行う。なお、力かる榭脂成形は、射出成形及び粉末圧縮成形の何れの成形工程も採用することができる。

[0037] かかる一連の工程により、セパレータ 15の外周部に亘つて榭脂部 30が形成され、特に冷媒流路 20がシールされることになる。よって、力かる榭脂部 30を形成することで、冷媒流路 20をシールする専用の圧縮シール若しくは接着剤等によるシールェ程を排することができ、簡便な構成を実現する。また、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bの形状を、成形用金型の型締め力を利用して矯正した状態で榭脂を硬化させることも可能となるため、プレス成形時に生じたセパレータ板 15 A、 15Bの変形や歪みをも是正することが可能となり、その後のスタック時の組立工程を簡便かつ確実なものとすることができる。この際同時に、流路区画壁 31、 32にカロえ、各マ-ホールド 21〜23と、燃料ガスディフューザリブ 26と、酸化剤ガスディフューザリブ 27とが形成されて、る。

[0038] 次に、必要に応じ、詳細は後述する燃料ガスや酸化剤ガスをシールするための圧縮シール部を一体成形して付加した後、膜電極接合体 14に対してアノード電極 14a 側及び力ソード電極 14b側を整合させながら、膜電極接合体 14とセパレータ 15とを接合して単セル 2を形成する。なお、榭脂部 30を形成するときに、圧縮シールも同時にインサート成形すれば、更に低コストィ匕を図ることができる。もちろん、燃料ガスや酸化剤ガスをシールするためのシール部は、予めシール部材を用意しておき、ァノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15Bに接着剤等で接着してもかまわない。

[0039] 次に、所要の個数の単セル 2を、順次、膜電極接合体 14とセパレータ 15とが交互するように積層していって積層体 3を形成する。その後、積層体 3の両面に集電板 4、絶縁板 5及びエンドプレート 6をそれぞれ配置し、積層体 3の内部に貫通した貫通孔にタイロッド 7を貫通させ、タイロッド 7の端部にナットを螺合させることにより、燃料電池スタック 1が組み立てられる。

[0040] 以上のように構成された本実施形態のセパレータ 15によれば、 2枚の金属板であるアノードセパレータ板 15Aと力ソードセパレータ板 15Bとによって、アクティブ領域に燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 20を形成する基本構成を有するため、セパレータ自体の厚みを最小限とすることができる。その結果、燃料電池スタック 1において、単セル 2間のセルピッチが短縮でき、出力密度、つまり発電効率の優れた燃料電池スタック 1を実現することができる。ちなみに、カーボンと榭脂との複合材からなるモールドセパレータでは、強度やガス遮蔽性の観点力 0. 2〜0. 3mm 以上の厚さが要求されるのに対して、本実施形態の金属榭脂一体型のセパレータでは、 0. 05mm程度の厚さを実現することができ、極めて薄肉化されたものといえる。

[0041] 同時に、本実施の形態のセパレータ 15によれば、燃料ガス導入マ二ホールド 21、冷媒導入マ-ホールド 22、酸化剤ガス導入マ-ホールド 23などの各マ-ホールド部を榭脂で形成しているため、そのマ-ホールド孔形状を自由度高く設定することができる。同様に、ディフューザリブ 26、 27を対応して有する燃料ガスディフューザ流路 2 4及び酸化剤ガスディフューザ流路 25も榭脂によってその流路形状を決めることができるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの流体流れ効率を考慮した形状に自由度高く設定できる。

[0042] ここで、かかる有意性につき、図 10を参照して説明する。

[0043] 図 10は、本実施形態で比較した金属製のセパレータを示す断面図であり、位置的には図 7に相当する。

[0044] 図 10に示すように、セパレータ 150は、金属及び榭脂を一体ィ匕したものではなぐ単にそれぞれが金属板力もなるのアノードセパレータ板 150Aと力ソードセパレータ板 150Bとを並置し、それらに圧縮シール 33を付加して膜電極接合体との間をシールした構成を有する点が本実施形態の構成と異なっている。残余の点は、本実施形態の構成と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付す。なお、図中、圧縮シール 33は、燃料電池のスタック時における潰れた状態で示す。

[0045] かかるセパレータ 150では、燃料ガス導入マ-ホールド 21及び酸化剤ガス導入マ二ホールド 23の各マ-ホールド孔周りのアノードセパレータ板 150Aと力ソードセパレータ板 150Bとの間に空間が出来てしまうため、流体の圧力損失が相対的に大きい。

[0046] また、金属製のセパレータ 150では、耐腐食性、表面の高導電性を両立させるために、基材 (例えばステンレスなど）に表面処理を施した金属板を使用することが一般的である。しかし、金属板のマ二ホールド用の孔部を打ち抜く際に表面処理層が孔部外周において剥離してしまうことも考えられ、仮にそうなると基材の腐食や金属ィォン溶出による高分子電解質膜の劣化を促進することになる。

[0047] これに対して、本実施の形態のセパレータ 15では、各マ-ホールド 21〜23を榭脂により形成しているので、腐食や金属イオン溶出といった現象が排除されるだけでなぐ流体の角部 21A、 23Aを簡便に曲面形状とし得て、流体の圧力損失を一層低減することができる。なお、本実施の形態のセパレータ 15では、冷媒ディフューザ流路 28の開口端は、各セパレータ板の基材である金属が露出することになる力冷媒の流路部では、燃料ガスや酸化剤ガスなどの流路部に比べて金属の腐食等の影響度合!ヽが遙かに弱!、と考えられ、かつ仮に冷媒の流路に金属イオンが溶出したとしても、高分子電解質膜への影響は極めて少な、とも考えられる。

[0048] また、本実施の形態のセパレータ 15によれば、冷媒ディフューザ流路 28に冷媒ディフューザリブ 29を複数形成して、るので、剛性の無、金属薄板 (アノードセパレータ板 150A及び力ソードセパレータ板 150B)に比較して強度や剛性を高めることができ、セパレータ 15におけるアノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15 B同士を確実に保持することができる。また、冷媒ディフューザリブ 29は、金属板をプレス成形することで簡便に形成することができる。更に、金属板のセパレータ 150をプレス成形で加工するだけでは、冷媒流路側にリブを形成する場合には、その反対側の燃料ガスディフューザ流路及び酸化剤ガスディフューザ流路にリブを成形しようとしても冷媒流路側のリブと重なる位置には設けることができない。これに対して、本実施の形態のセパレータ 15では、セパレータの外周部にわたって設けられた榭脂部 3 0により金属板とは独立にリブを形成することができ、リブを設ける自由度を高くできる

[0049] また、本実施の形態のセパレータ 15によれば、セパレータ外周部を榭脂部 30で形成しているので、その外周形状を自由な形状に設計することができる。更に、金属板のみでセパレータ 150を形成した場合は、セパレータ 150の厚みが薄くなるに伴い強度や剛性が失われ、圧縮シールの付加や膜電極接合体への接着に困難な傾向がでる力本実施の形態のセパレータ 15では、金属板の厚みが薄くても榭脂部 30の厚みを充分にとることで強度や剛性を十分確保することができる。

[0050] さて、以下、本実施の形態の構成におけるシール部について、より詳細に検討する

[0051] 図 11は、図 1〜9を参照して説明した燃料電池スタックのセパレータに対して、更に、接着剤を使用してシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する。

[0052] 図 11に示すように、本実施形態のセパレータ 15では、接着剤を使用してシール部を構成することができる。具体的には、シール部をなすべく接着する接着剤が、流出しないように充填される接着剤用溝 34が榭脂部 30の外周部に形成され、接着剤は、接着剤用溝 34に充填される。

[0053] このように、セパレータ 15の外周部を榭脂部 30により形成すると、接着剤用溝 34を任意の形状に自由度高く形成することができる。また、接着剤用溝 34に供給されるシリコーン系などの榭脂系接着剤と榭脂部 30の榭脂との濡れ性が良いことから、充分な接着強度を確保することも可能である。

[0054] 図 12は、図 1〜9を参照して説明した燃料電池スタックのセパレータに対して、更に、圧縮シールによるシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する。

[0055] 図 12に示すように、本実施形態のセパレータ 15では、圧縮シール 35を使用してシ一ル部を構成することができる。具体的には、榭脂部 30の外周部に形成した圧縮シ一ル用溝 36にシリコーン系ゴム製の圧縮シール 35が設けられる。圧縮シール 35は榭脂部 30とは榭脂材料が異なるが、榭脂部 30の圧縮シール用溝 36を成形した直後の一連の成形工程内で、圧縮シール用溝 ₃₆に圧縮シール ₃₅を載置して接着することにより、異材質成形として一体成形される。なお、図中、圧縮シール 35は、潰れて、な、自由状態 (高さ h)で示す。

[0056] このように、榭脂部 30の厚みを充分に確保することで、その後の燃料電池のスタツク時における圧縮シール 35からの反力を、榭脂部 30で受けるに足るべき強度ゃ剛性を確保して、圧縮シール 35の潰れ代を考慮したスタック時におけるシール部のヽわゆるリップ潰し量 (高さ hからの潰れ量)の調整を簡便かつ確実に確保することができる。

[0057] ここで、かかる有意性につき、図 13を参照して説明する。

[0058] 図 13は、本実施形態で比較した金属製のセパレータに対して、圧縮シールによるシールを付加する構成を示す要部断面図であり、位置的には図 5に相当する。

[0059] 図 13に示すように、アノードセパレータ板 250A及び力ソードセパレータ板 250Bを接合し、燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 20を有するセパレータ 250に、榭脂部を介さずに圧縮シール 35が適用されている点が前述した構成と異なつている。残余の点は、前述した構成と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付す。なお、図中、圧縮シール 33は、燃料電池のスタック時における潰れた状態で示す。

[0060] かかるセパレータ 250では、圧縮シール 35にて、燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 20の 3種類の流体をシールする必要があり、シールの確実性が一層求められる。よって、燃料電池のスタック時に過剰な圧縮シール 35からの反力を受けないような適正なシール面圧を確保する必要があり、そのためには、充分なシール 35の潰れ代を確保することが必要となる。しかし、充分な潰れ代を確保するということは、これに伴いシール 35の高さが要求されてしまい、単位電池間のセルピッチを短縮する妨げとなる。

[0061] また、剛性の低い金属製の薄板力もなるアノードセパレータ板 250A及び力ソードセパレータ板 250Bで確実にシールするためには、圧縮シール 35からの反力により金属薄板が変形しないような構成を採用する必要がある。力かる構成としては、例えば図 13に示したように圧縮シール 35の近傍部にリブ 37の如く高剛性部を付加することが挙げられる力結果として発電に寄与するアクティブ領域が減少してしまい、出力密度が減少してしまう。

[0062] これに対して、本実施の形態のセパレータ 15では、冷媒流路 20のシールについては原理的に榭脂部 30で行、得るため、更に入念的に圧縮シール 35を付加したとしても、図 12で示すように圧縮シール 35自体の自由高さ hが小さくて済み、シール部の高さ方向のスペースが小さくて済む。更に同様に、圧縮シール 35の幅方向も小さくできるため、圧縮シール 35自体の容積を小さくすることができて、出力密度に優れたセパレータ 15を得ることができる。

[0063] また、接着剤により燃料ガス流路 18、酸化剤ガス流路 19及び冷媒流路 20のシールを行う場合は、図 11に示したように、更にコンパクトな設計が可能となる。

[0064] また、接着剤及び圧縮シール 35の何れを適用した構成であっても、接着剤用シール溝 34及び圧縮シール用溝 36を榭脂部 30により自由に形成することができるため、接着剤の流れ止め、圧縮シール 35の潰れ代のコントロールが簡便かつ確実となる。また、カゝかる構成であれば、接着剤や圧縮シール 35と榭脂部 30との濡れ性も良く、優れた接着強度を得ることができる。

[0065] (他の実施形態）

以下、本発明における他の実施形態のセパレータにっき、図 14を参照しながら詳細に説明する。

[0066] 図 14は、本発明における他の実施形態の燃料電池スタックのセパレータを構成する金属製のセパレータ板を示す要部平面図である。本実施形態の構成では、ァノードセパレータ板及び力ソードセパレータ板における冷媒ディフューザリブの構成が異なることが、前述した実施形態の構成との主たる相違点である。以下かかる相違点に着目し、同じ構成要素には同じ符号を付しつつ、適宜説明を省略又は簡略化する。

[0067] 前述した実施形態では、アノードセパレータ板 15A及び力ソードセパレータ板 15B の冷媒ディフューザリブ 29を長手方向に延在する突状部として形成した力本実施形態では、図 14に示すように、アノードセパレータ板 55A及び力ソードセパレータ板 55Bにおいて、冷媒ディフューザリブ 29'を複数の突起（リブ）として形成する。かかる複数の冷媒ディフューザリブ 29'は、冷媒導入マ-ホールド 22から全ての冷媒流路 20に冷却水を分散させてまんべんなく流通させるベぐアノードセパレータ板 55A及び力ソードセパレータ板 55Bにお!/、て、冷媒導入マ-ホールド 22から冷媒流路 20に向けて平面視でそれぞれ放射状に冷媒である冷却水を流すように放射的なパターンでもって酉己置される。

[0068] 力かる構成であると、アノードセパレータ板 55A及び力ソードセパレータ板 55Bのプレス成形性を更に高めることができる。

[0069] また、図 14に示すように、ロケ一トビンを揷通させるロケート孔 38を、セパレータ板 5 5A、 55Bのプレスカ卩ェにて共に形成することも可能である。但し、この構成の場合には、ロケート孔 38を含むようにセパレータ板 55A、 55Bを延長する必要があり、そうすると冷媒導入マ-ホールド 22をセパレータ板 55A、 55Bにも形成しておくことが必要となる。

[0070] 力かる構成であれば、ロケート孔 38でもって、セパレータ 55の外周部に榭脂を成形する榭脂成形時やスタック時の位置決めをすることができる。なお、かかるロケート孔 38は、前述したセパレータ 15にお、ても採用可能である。

[0071] 以上のように、本発明によれば、 2枚の金属板を貼り合わせて構成したセパレータに、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成した基本構成を有しているので、冷媒流路を有した冷却用の専用セパレータが不要となり、単セル間のセルピッチを短縮させて発電効率を高めることができる。

[0072] 同時に、本発明によれば、カゝかる金属板の外周部を、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路、燃料ガスディフューザ流路及び酸化剤ガスディフューザ流路を除くように、榭脂部で形成しているので、セパレータ外周部形状を所望の形状に自由度高くに構成することができると共に、マ-ホールドやディフューザの流路形状を効率の良い流体流れ形状とすることができる。

[0073] 日本国特許出願 2004— 333570 (出願日： 2004年 11月 17日）の全体の内容力力かる出願を特定することにより本出願に引用される。 [0074] 本発明は前述した実施形態につき説明したが、本発明はもちろん力かる実施形態に限定されるものではなぐ本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、当業者にとつて可能である種々の改良や変更を含むものである。

産業上の利用の可能性

[0075] 以上のように、本発明に係る燃料電池のセパレータよれば、 2枚の金属板を貼り合わせて構成したセパレータに、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成した基本構成を有し、カゝかる金属板の外周部に榭脂部を付加して各マ-ホールド等を形成して、るため、単セル間のセルピッチを短縮させて発電効率を高めることができるとともに、榭脂部の高い形状自由度により低い圧力損失が低減された流体流れ形状を得ることができるものであるため、力かるセパレータを有する燃料電池を適用された燃料電池自動車を始めとして、その適用範囲は広範なものが期待される。

Claims

請求の範囲

[1] それぞれが有する凹凸形状を協働させて、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を画成する一対の金属板と、

前記燃料ガス流路、前記燃料ガス流路の前段で燃料ガスを拡散して分配する燃料ガスディフューザ流路、前記酸化剤ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の前段で酸ィ匕剤ガスを拡散して分配する酸化剤ガスディフューザ流路を除くように、前記一対の金属板に形成された榭脂部と、

を備える燃料電池のセパレータ。

[2] 前記榭脂部は、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガスマ-ホールド、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスマ-ホールド及び前記冷媒流路に冷媒を供給する冷媒マニホールドを含む請求項 1に記載のセパレータ。

[3] 前記榭脂部は、前記燃料ガスマ二ホールド及び前記燃料ガス流路間を連絡すべく前記燃料ガスディフューザ流路を区画する壁部と、前記榭脂部の壁面で区画されて前記酸化剤ガスマ-ホールド及び前記酸化剤ガス流路間を連絡すべく前記酸化剤ガスディフューザ流路を区画する壁部と、を備える請求項 2に記載のセパレータ。

[4] 前記榭脂部は、前記燃料ガスディフューザ流路に燃料ガスを分散して流通させるリブと、前記酸化剤ガスディフューザ流路に酸化剤ガスを分散して流通させるリブと、を備える請求項 3に記載のセパレータ。

[5] 前記燃料ガスマ-ホールドから前記燃料ガスディフューザ流路へと連なる角部及び酸化剤ガスマ-ホールドから前記酸化剤ガスディフューザ流路へと連なる角部が共に曲面形状である請求項 4に記載のセパレータ。

[6] 前記冷媒流路に冷媒を流通させるベく前記一対の金属板間の空間部を利用して設けられた冷媒ディフューザ流路を更に備える請求項 1に記載のセパレータ。

[7] 前記冷媒ディフューザ流路は、前記冷媒流路に冷媒を分散して流通させるベく前記一対の金属板の一部を互ヽに向けて突出させて形成したリブを有する請求項 6に記載のセパレータ。

[8] 前記榭脂部は、前記セパレータに隣接する膜電極接合体と前記セパレータとの間のシールに寄与するシール部材が設けられるシール溝を外周部に有する請求項 1に記載のセパレータ。

[9] 前記榭脂部と前記シール部材とは、異材質成形で一体化される請求項 8に記載のセノレータ。

[10] 前記榭脂部は、前記セパレータに隣接する膜電極接合体と前記セパレータとの間を接着し得る接着剤が印加される溝を外周部に有する請求項 1に記載のセパレータ

[11] 前記一対の金属板の前記凹凸形状のそれぞれの凹部は、前記セパレータに隣接する膜電極接合体に向けて開いて前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を画成し、前記凹凸形状のそれぞれの凸部は協働して閉断面をなして前記冷媒流路を画成する請求項 1に記載のセパレータ。

[12] 前記一対の金属板は、前記一対の金属板を位置決めするロケ一ト孔を有する請求項 1に記載のセパレータ。